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KR20070036502A - Fuel cell system having high pressure oxygen tank - Google Patents

Fuel cell system having high pressure oxygen tank Download PDF

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KR20070036502A
KR20070036502A KR1020050091599A KR20050091599A KR20070036502A KR 20070036502 A KR20070036502 A KR 20070036502A KR 1020050091599 A KR1020050091599 A KR 1020050091599A KR 20050091599 A KR20050091599 A KR 20050091599A KR 20070036502 A KR20070036502 A KR 20070036502A
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KR
South Korea
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fuel
power generation
generation unit
oxygen
unit
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Application number
KR1020050091599A
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Korean (ko)
Inventor
안성진
은영찬
권호진
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와; 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와; 상기 발전부에 산화제를 공급하는 고압산화제탱크로 이루어진 것을 특징으로 하므로, 충분한 양의 산소공급이 가능해져서 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있고, 또한 고압의 산소를 공급함으로써 단위전지에 잔류하는 미반응 연료/산소 및 전기화학반응에 참여하지 못한 미반응물을 효과적으로 제거할 수 있고, 이에 부가하여, 에어펌프의 사용없이 산소를 공급하므로 에어펌프의 작동에 의한 소음 및 진동의 발생을 방지하여 연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a fuel cell system, comprising: a power generation unit for generating electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel and an oxidant; A fuel supply unit supplying hydrogen-containing fuel to the power generation unit; Since the high pressure oxidant tank for supplying the oxidant to the power generation unit is characterized in that, it is possible to supply a sufficient amount of oxygen to improve the power generation efficiency of the fuel cell system, and also to supply the high pressure oxygen remaining in the unit cell Unreacted fuel / oxygen and unreacted materials that do not participate in the electrochemical reaction can be effectively removed, and in addition, oxygen is supplied without using the air pump, thereby preventing the occurrence of noise and vibration caused by the operation of the air pump. The reliability of the battery system can be improved.

선택적 투과막, 친수성 물질, 소수성 물질, 관통창 Selective permeable membrane, hydrophilic material, hydrophobic material, through-window

Description

고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING HIGH PRESSURE OXYGEN TANK}FUEL CELL SYSTEM HAVING HIGH PRESSURE OXYGEN TANK

도 1은 본 발명에 따른 스택형 연료전지 시스템의 개략도;1 is a schematic diagram of a stacked fuel cell system according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 패시브형 연료전지 시스템의 개략도.2 is a schematic diagram of a passive fuel cell system according to the present invention;

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 : 발전부10: power generation unit

20, 120 : 연료 공급부20, 120: fuel supply unit

22 : 연료펌프22: fuel pump

24 : 이온제거필터24: ion removal filter

30, 130 : 흡열부30, 130: heat absorbing portion

40, 140 : 고압산소탱크40, 140: high pressure oxygen tank

110, A : 단위전지110, A: unit cell

본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 고압산소탱크로부터 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system for generating electricity through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and more particularly to a fuel cell system for generating electricity by supplying oxygen from a high-pressure oxygen tank.

일반적으로, 환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료로부터 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 대한 관심이 집중되어 왔다.In general, interest in fuel cell systems that generate electricity by electrochemically reacting hydrogen obtained from hydrocarbon fuels such as natural gas and hydrogen-containing fuels such as methanol and oxygen in the air as a solution to environmental or resource problems. This has been concentrated.

연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제인 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전장치이다. 이러한 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하는 발전부를 갖는다. 상기 발전부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다. A fuel cell system is a power generation device that generates electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel and oxygen as an oxidant. Such a fuel cell system basically has a power generation unit for generating electricity. The power generation unit has an electrolyte membrane having selective ion permeation characteristics, and a unit cell having an electrode membrane assembly (MEA) including anode and cathode electrodes provided on both surfaces of the electrolyte membrane.

연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. The fuel cell system includes a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC) depending on the type of electrolyte used. ), Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), alkaline fuel cells (AFC), and the like.

상술된 연료전지 시스템 중에서, 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 상대적으로 탁월하고 작동온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 갖는 장점에 때문에 최근에 휴대용 발전기의 용도로 널리 개발연구되고 있다. 그러나, 고 분자 전해질형 연료전지는 수소를 얻기 위한 개질기를 요구하고 있으며, 이는 연료전지 시스템의 소형화에 대한 한계로 작용하였다. 따라서, 이러한 한계를 극복하기 위하여 수소함유연료로서 메탄올을 직접 사용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)가 개발되었다.Among the fuel cell systems described above, polymer electrolyte fuel cells have been widely developed and researched in recent years for the use of portable generators because of their excellent output characteristics, low operating temperature, and fast starting and response characteristics. However, high molecular electrolyte fuel cells require a reformer to obtain hydrogen, which serves as a limit for miniaturization of fuel cell systems. Therefore, in order to overcome this limitation, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a hydrogen-containing fuel has been developed.

이러한 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)에 있어서, 애노드 전극에 제공된 메탄올과 캐소드 전극에 제공된 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하게 된다. 이때, 산소함유기체를 캐소드 전극에 공급하기 위하여 에어펌프를 포함하고 있으며, 이는 에어펌프의 작동에 의한 소음 및 진동발생에 의해서 연료전지의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다.In such a direct methanol fuel cell (DMFC), electricity is generated by an electrochemical reaction between methanol provided at the anode electrode and oxygen provided at the cathode electrode. In this case, an air pump is included to supply the oxygen-containing gas to the cathode electrode, which has a problem of lowering the reliability of the fuel cell due to noise and vibration generated by the operation of the air pump.

애노드 전극에 제공된 메탄올 중에서 상술된 전기화학반응에 참여하지 못하고 배출되는 미반응 메탄올을 회수하여 재사용하기 위한 기술이 요구되고 있다. 즉, 이러한 재사용 기술은 연료의 사용효율을 향상시키기 위하여 미반응 연료를 회수하고, 이를 새로운 연료와 혼합하여 다시 애노드 전극에 제공하는 것이다. There is a need for a technique for recovering and reusing unreacted methanol, which does not participate in the above-described electrochemical reaction, among methanol provided to the anode electrode. In other words, this reuse technique recovers unreacted fuel in order to improve the use efficiency of the fuel, and mixes it with the new fuel to provide it to the anode electrode again.

그러나, 직접 메탄올형 연료전지에 있어서 메탄올의 산화반응시 이산화탄소(CO2)가 생성되고, 이러한 이산화탄소는 미반응 연료와 혼합된 상태로 배출된다. 이산화탄소가 애노드 전극에 공급되는 경우에는 연료전지의 발전효율을 저하시키므로, 이를 제거하는 것이 요구되고 있다.However, in a direct methanol fuel cell, carbon dioxide (CO 2 ) is generated during the oxidation reaction of methanol, and the carbon dioxide is discharged in a mixed state with an unreacted fuel. When carbon dioxide is supplied to the anode electrode, since the power generation efficiency of the fuel cell is lowered, it is required to remove it.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 캐소드 전극에 에어펌프의 제공없이도 산소함유기체를 공급할 수 있도록 고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.The present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, and provides a fuel cell system having a high-pressure oxygen tank to supply oxygen-containing gas directly to the cathode electrode of the methanol fuel cell system without providing an air pump. To provide.

본 발명의 다른 목적은 애노드 전극으로부터 배출되는 미반응 메탄올을 회수하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of recovering and recycling unreacted methanol discharged from an anode electrode.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 캐소드 전극으로부터 배출되는 물을 회수하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of recovering and recycling water discharged from a cathode electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와; 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와; 상기 발전부에 산화제를 공급하는 고압탱크로 이루어진다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the fuel cell system includes a power generation unit for generating electricity by the electrochemical reaction of the hydrogen-containing fuel and the oxidant; A fuel supply unit supplying hydrogen-containing fuel to the power generation unit; It consists of a high pressure tank for supplying an oxidant to the power generation unit.

상기 산화제는 산소이고, 상기 발전부에서 배출되는 물을 회수하여 상기 연료 공급부에 제공하는 물회수장치를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 물회수장치는 열교환기이다.The oxidant is oxygen, and further includes a water recovery device for recovering the water discharged from the power generation unit for providing to the fuel supply unit. Preferably, the water recovery device is a heat exchanger.

상기 고압탱크는 교환가능하게 제공되는 것이 바람직하다.The high pressure tank is preferably provided interchangeably.

상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 단위전지가 적층되어 있는 구 조를 갖거나 또는 평면에 배열된 구조를 갖는다.The power generation unit may have a structure in which a polymer membrane having selective ion permeability and a unit cell composed of anode electrodes and cathode electrodes provided on both sides of the polymer membrane are stacked or arranged in a plane.

상기 연료 공급부로부터 수소함유연료를 발전부에 원활하게 공급하기 위한 연료펌프를 더 포함하고 또한 수소함유연료에 용존되어 있는 이온을 제거하기 위한 이온제거 필터를 더 포함한다.A fuel pump for smoothly supplying hydrogen-containing fuel from the fuel supply unit to the power generation unit further includes an ion removal filter for removing ions dissolved in the hydrogen-containing fuel.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 대하여 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 사용되는 용어는 설명의 편리성을 위하여 정의된 것으로서 본 명세서에서 사용되는 용어는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수도 있지만 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니될 것이다.Terms used in the description of the present invention are defined for convenience of description, and the terms used herein may vary depending on the intention or custom of the person skilled in the art, but not limited to the technical components of the present invention. It should not be understood in meaning.

예를 들어, 용어 '수소함유연료'는 메탄올에 한정되지 않고 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 연료그룹으로부터 선택된 연료와 물이 혼합되어 있는 연료를 의미한다.For example, the term 'hydrogen fuel' is not limited to methanol, but alcohol-based fuel such as ethanol; It means a fuel in which water and a fuel selected from a fuel group, such as hydrocarbon-based fuels such as methane, propane, butane, or natural gas-based fuels such as liquefied natural gas.

도 1에는 본 발명에 따라서 산화제, 예를 들어 산소를 공급하기 위한 고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 메탄올과 같은 수소함유연료와 산소와 같은 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부(10)와, 발전부(10)에 수소함유연료를 공급하기 위한 연료 공급부(20)와, 발전부(10)에 산화제 공급용 고압탱크, 예를 들어 산소 공급용 고압산소탱크(40)를 갖는다. 상기 고압탱크는 교환가능하게 제공되는 것이 바람직하다.1 shows a fuel cell system having a high pressure oxygen tank for supplying an oxidant, for example oxygen, in accordance with the present invention. Referring to FIG. 1, a fuel cell system includes a power generation unit 10 that generates electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel such as methanol and an oxidant such as oxygen, and supplying hydrogen-containing fuel to the power generation unit 10. And a high pressure tank for supplying an oxidant, for example, a high pressure oxygen tank 40 for supplying oxygen to the power generation unit 10. The high pressure tank is preferably provided interchangeably.

발전부(10)는 선택적 이온 투과성을 갖는 고분자막(12a)과, 고분자막(12a)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(12c) 및 캐소드 전극(12b)으로 이루어진 전극막 조립체(12; MEA)를 구비한 단위전지(A)를 갖는다. 단위전지(A)는 또한 애노드 전극(12c) 및 캐소드 전극(12b)에 수소함유연료 및 산소를 공급할 수 있도록 대면하는 상태로 제공된 분리판(14)을 포함한다. 분리판(14)은 수소함유연료 또는 산소가 유동할 수 있는 유동채널이 일측면에만 제공된 모노폴라 플레이트로 구성되거나 또는 양측면에 각각 제공된 바이폴라 플레이트로 구성될 수 있다.The power generation unit 10 includes an electrode membrane assembly 12 (MEA) including a polymer membrane 12a having selective ion permeability and an anode electrode 12c and a cathode electrode 12b respectively provided on both surfaces of the polymer membrane 12a. It has a unit cell (A). The unit cell A also includes a separator 14 provided in a state in which it is possible to supply hydrogen-containing fuel and oxygen to the anode electrode 12c and the cathode electrode 12b. Separation plate 14 may be composed of a monopolar plate provided with a flow channel through which hydrogen-containing fuel or oxygen can flow, or bipolar plates provided on both sides, respectively.

발전부(10)는 복수개의 단위전지(A)가 적층되어 있는 구조를 갖는다.The power generation unit 10 has a structure in which a plurality of unit cells A are stacked.

따라서, 연료 공급부(20), 예를 들어 연료공급탱크로부터 공급되는 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 소정 농도의 메탄올은 하나의 분리판(14)에 제공된 연료공급유로를 통해서 애노드 전극(12c)에 유입된다. 또한, 고압산소탱크(40)로부터 공급되는 고압의 산소는 다른 하나의 분리판(14)에 제공된 산소공급유로를 통해서 캐소드 전극(12b)에 유입된다.Therefore, a predetermined concentration of methanol diluted with the hydrogen supply fuel supplied from the fuel supply unit 20, for example, the fuel supply tank, for example, water, is passed through the fuel supply channel provided in one separator plate 14. It flows into the anode electrode 12c. In addition, the high pressure oxygen supplied from the high pressure oxygen tank 40 is introduced into the cathode electrode 12b through the oxygen supply passage provided to the other separator 14.

단위전지(A)의 애노드 전극과 캐소드 전극에서 이루어지는 전기화학반응은 하기 반응식과 같다. The electrochemical reaction of the anode electrode and the cathode electrode of the unit cell (A) is shown in the following scheme.

애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_ Anode reaction: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e _

캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2OCathode reaction: (3/2) O 2 + 6H + + 6e _ → 3H 2 O

전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2 Total reaction: CH 3 OH + (3/2) O 2 → 2H 2 O + CO 2

즉, 애노드 전극(12c)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 고분자막(12a), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(12b)에 전달된다. 캐소드 전극(12b)에서는 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다.That is, in the anode electrode 12c, carbon dioxide and six hydrogen ions and electrons are generated by the reaction of methanol and water (oxidation reaction). The generated hydrogen ions are transferred to the cathode electrode 12b via the polymer membrane 12a, for example, the hydrogen ion exchange membrane. In the cathode electrode 12b, hydrogen ions, electrons transferred through an external circuit, and oxygen react to generate water (reduction reaction). In total, methanol and oxygen react to produce water and carbon dioxide.

이때, 애노드 전극(12c)에 공급된 수소함유연료 중 일부는 상술된 애노드 반응에 참여하지 못하고 미반응 상태로 배출된다. 이러한 미반응 연료는 안내도관을 통해서 연료 공급부(20)에 직접 공급된다. 또한, 상술된 반응식에 나타난 바와 같이 단위전지(A)에서의 전기화학반응 결과 이산화탄소(CO2)가 부산물로서 생성된다. 이러한 이산화탄소는 미반응 상태의 수소함유연료, 즉 미반응 연료와 함께 혼합된 상태로 발전부(10)로부터 연료 공급부(20)로 배출된다. 이러한 이산화탄소는 연료 공급부(20)에 제공된 배기구(미도시)를 통해서 외부로 배기된다.At this time, some of the hydrogen-containing fuel supplied to the anode electrode 12c does not participate in the above-described anode reaction and is discharged in an unreacted state. This unreacted fuel is directly supplied to the fuel supply unit 20 through the guide conduit. In addition, as shown in the above reaction scheme, carbon dioxide (CO 2 ) is produced as a by-product as a result of the electrochemical reaction in the unit cell (A). The carbon dioxide is discharged from the power generation unit 10 to the fuel supply unit 20 in a state of being mixed with an unreacted hydrogen-containing fuel, that is, unreacted fuel. The carbon dioxide is exhausted to the outside through an exhaust port (not shown) provided in the fuel supply unit 20.

캐소드 전극(12b)에서의 환원반응결과 상대적으로 온도가 높은 물, 고온수[H2O(g)]가 생성되고, 이러한 고온수를 회수하여 재활용하기 위한 물회수장치(30)가 제공된다. 물회수장치(30)는 발전부(10)와 연료 공급부(20) 사이에 제공된다. 따 라서, 대체적으로 증기상태로 발생되는 고온수는 물회수장치(30), 예를 들어 열교환기를 통과하면서 응축하게 되며 그 결과 액체상태의 상대적으로 온도가 낮은 물, 저온수[H2O(l)]로 회수된다. 이러한 저온수는 연료 공급부(20)에 제공되어 재활용된다. As a result of the reduction reaction at the cathode electrode 12b, relatively high temperature water and hot water [H 2 O (g)] are generated, and a water recovery device 30 for recovering and recycling such high temperature water is provided. The water recovery device 30 is provided between the power generation unit 10 and the fuel supply unit 20. Therefore, the hot water, which is generally generated in the vapor state, is condensed while passing through the water recovery device 30, for example, a heat exchanger, and consequently, the liquid of relatively low temperature water, cold water [H 2 O (l )]. This low temperature water is provided to the fuel supply unit 20 and recycled.

또한, 연료 공급부(20)와 발전부(10) 사이에는 수소함유연료를 원활하게 공급시키기 위한 연료펌프(22)가 제공된다. 그리고, 연료펌프(22)의 배출단에는 수소함유연료에 함유되어 있는 이온을 제거하기 위한 이온제거 필터(24; ionizer filter)가 제공된다.In addition, a fuel pump 22 for smoothly supplying hydrogen-containing fuel is provided between the fuel supply unit 20 and the power generation unit 10. In addition, an ionizer filter 24 for removing ions contained in the hydrogen-containing fuel is provided at the discharge end of the fuel pump 22.

이하, 스택형 발전기를 갖는 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.The operation of the fuel cell system having the stack type generator will be described below.

연료펌프(22)의 작동에 의해서 연료 공급부(20)로부터 배출되는 수소함유연료는 이온제거 필터(24)를 통과하여 이온이 제거된 상태로 발전부(10), 특히 단위전지(A)의 애노드 전극(12c)에 유입된다. 또한 고압산소탱크(40)로부터 배출되는 산소는 발전부(10), 특히 단위전지(A)의 캐소드 전극(12b)에 유입된다.The hydrogen-containing fuel discharged from the fuel supply unit 20 by the operation of the fuel pump 22 passes through the ion removal filter 24 to remove ions, and thus the anode of the power generation unit 10, in particular, the unit cell A. It flows into the electrode 12c. In addition, oxygen discharged from the high-pressure oxygen tank 40 flows into the power generation unit 10, particularly the cathode electrode 12b of the unit cell A.

단위전지(A)에 있어서, 상술된 전기화학반응을 통해서 전기가 생성되고, 이때 부산물로서 발생되는 고온수[H2O(g)]는 물회수장치(30)를 통과하면서 응축되어 저온수[H2O(l)] 상태로 연료 공급부(20)에 유입된다. 상기 전기화학반응의 부산물인 이산화탄소는 연료 공급부(20)에 직접 유입된 후에 대기로 배기된다. 한편, 상술된 전기화학반응에 참여하지 못하고 안내도관을 통해서 연료 공급부(20)에 유입된 미반응 연료는 재활용된다. 그러나, 상술된 전기화학반응에 참여하지 못한 미 반응 산소는 연료 공급부(20)에 유입된 후에 상기 배기구를 통해서 이산화탄소와 함께 대기로 배기된다.In the unit cell (A), electricity is generated through the above-described electrochemical reaction, and high temperature water [H 2 O (g)] generated as a by-product is condensed while passing through the water recovery device 30, and then low temperature water [ H 2 O (l)] flows into the fuel supply unit 20. Carbon dioxide, which is a byproduct of the electrochemical reaction, is directly introduced into the fuel supply unit 20 and then exhausted to the atmosphere. On the other hand, the unreacted fuel introduced into the fuel supply unit 20 through the guide conduit without participating in the above-described electrochemical reaction is recycled. However, unreacted oxygen, which does not participate in the above-described electrochemical reaction, is introduced into the fuel supply unit 20 and then exhausted to the atmosphere together with carbon dioxide through the exhaust port.

도 2를 참조하면, 연료전지 시스템은 메탄올과 같은 수소함유연료와 산소와 같은 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와, 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하기 위한 연료 공급부(120)와, 상기 발전부에 산소를 공급하기 위한 고압산소탱크(140)를 갖는다.Referring to FIG. 2, a fuel cell system includes a power generation unit for generating electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel such as methanol and an oxidant such as oxygen, and a fuel supply unit 120 for supplying hydrogen-containing fuel to the power generation unit. ), And a high-pressure oxygen tank 140 for supplying oxygen to the power generation unit.

상기 발전부는 선택적 이온 투과성을 갖는 고분자막(112)과, 고분자막(112)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(116) 및 캐소드 전극(114)으로 이루어진 단위전지(110)를 갖는다. 이때, 도 2에 도시된 연료전지 시스템은 복수개의 단위전지(110)들이 평면에 배열되어 있는 패시브형 구조를 갖는다.The power generation unit has a polymer membrane 112 having selective ion permeability and a unit cell 110 including an anode electrode 116 and a cathode electrode 114 provided on both surfaces of the polymer membrane 112, respectively. In this case, the fuel cell system illustrated in FIG. 2 has a passive structure in which a plurality of unit cells 110 are arranged in a plane.

상기 발전부에서의 전기화학반응은 상술된 반응식과 같다.The electrochemical reaction in the power generation unit is the same as the reaction scheme described above.

즉, 애노드 전극(116)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 고분자막(112)을 통과하여 캐소드 전극(114)에 전달된다. 캐소드 전극(114)에서는 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다.That is, the anode electrode 116 generates carbon dioxide and six hydrogen ions and electrons by the reaction of methanol and water (oxidation reaction). The generated hydrogen ions pass through the polymer film 112 and are delivered to the cathode electrode 114. The cathode electrode 114 reacts with hydrogen ions, electrons transferred through an external circuit, and oxygen to generate water (reduction reaction). In total, methanol and oxygen react to produce water and carbon dioxide.

캐소드 전극(114)에서의 환원반응결과 상대적으로 온도가 높은 물, 고온수[H2O(g)]가 생성되고, 이러한 고온수를 회수하여 재활용하기 위한 물회수장치(130)가 제공된다. 물회수장치(30)는 발전부(10)와 연료 공급부(20) 사이의 유체유동경 로에 제공된다. 따라서, 대체적으로 증기상태로 발생되는 고온수는 물회수장치(130)를 통과하면서 응축하게 되며 그 결과 액체상태의 상대적으로 온도가 낮은 물, 저온수[H2O(l)]로 회수된다. 이러한 저온수는 연료 공급부(20)에 제공되어 재활용된다. As a result of the reduction reaction at the cathode electrode 114, water having a relatively high temperature, hot water [H 2 O (g)] is generated, and a water recovery device 130 for recovering and recycling such high temperature water is provided. The water recovery device 30 is provided in the fluid flow path between the power generation unit 10 and the fuel supply unit 20. Therefore, the hot water, which is generally generated in the vapor state, is condensed while passing through the water recovery device 130, and as a result, is recovered as relatively low temperature water and low temperature water [H 2 O (l)] in the liquid state. This low temperature water is provided to the fuel supply unit 20 and recycled.

또한, 연료 공급부(120)는 수소함유연료의 공급이 가능하게 애노드 전극(116)에 연결되고, 고압산소탱크(140)는 캐소드 전극(114)에 산소공급이 가능하게 연결된다. In addition, the fuel supply unit 120 is connected to the anode electrode 116 to enable the supply of hydrogen-containing fuel, the high-pressure oxygen tank 140 is connected to the cathode electrode 114 to supply oxygen.

이하, 패시브형 구조를 갖는 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.The operation of the fuel cell system having the passive structure will be described below.

수소함유연료는 연료 공급부(120)로부터 단위전지(110)의 애노드 전극(116)에 유입된다. 또한 고압산소탱크(140)로부터 배출되는 산소는 캐소드 전극(114)에 유입된다.The hydrogen-containing fuel flows into the anode electrode 116 of the unit cell 110 from the fuel supply unit 120. In addition, oxygen discharged from the high-pressure oxygen tank 140 flows into the cathode electrode 114.

단위전지(110)에 있어서, 상술된 전기화학반응을 통해서 전기가 생성되고, 이때 부산물로서 발생되는 고온수[H2O(g)]는 물회수장치(130)를 통과하면서 응축되어 저온수[H2O(l)] 상태로 연료 공급부(120)에 유입된다. 이때, 캐소드 전극(114)에 공급되는 산소의 압력에 의해서 고온수[H2O(g)]는 용이하게 물회수장치(130)로 배출된다.In the unit cell 110, electricity is generated through the above-described electrochemical reaction, and high temperature water [H 2 O (g)] generated as a by-product is condensed while passing through the water recovery device 130, and thus low temperature water [ H 2 O (l)] flows into the fuel supply unit 120. At this time, the hot water [H 2 O (g)] is easily discharged to the water recovery device 130 by the pressure of oxygen supplied to the cathode electrode 114.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부 터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.The foregoing merely illustrates preferred embodiments of the invention and those skilled in the art to which the invention pertains may make modifications and changes to the invention without departing from the spirit and gist of the invention as set forth in the appended claims. It should be recognized.

본 발명에 따르면, 고압산소탱크로부터 고압의 산소를 단위전지에 제공함으로써, 충분한 양의 산소공급이 가능해져서 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있고, 또한 고압의 산소를 공급함으로써 단위전지에 잔류하는 미반응 연료/산소 및 전기화학반응에 참여하지 못한 미반응물을 효과적으로 제거할 수 있다.According to the present invention, by supplying high-pressure oxygen from the high-pressure oxygen tank to the unit cell, a sufficient amount of oxygen can be supplied to improve the power generation efficiency of the fuel cell system, and also supply the high-pressure oxygen to remain in the unit cell. It can effectively remove unreacted fuel / oxygen and unreacted material not participating in the electrochemical reaction.

또한, 본 발명에 따르면, 에어펌프의 사용없이 산소를 공급하므로 에어펌프의 작동에 의한 소음 및 진동의 발생을 방지하여 연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, since oxygen is supplied without using the air pump, noise and vibration caused by the operation of the air pump may be prevented, thereby improving reliability of the fuel cell system.

Claims (10)

수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와; A power generation unit generating electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen containing fuel and an oxidant; 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와; A fuel supply unit supplying hydrogen-containing fuel to the power generation unit; 상기 발전부에 산화제를 공급하는 고압탱크로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell system comprising a high pressure tank for supplying an oxidant to the power generation unit. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산화제는 산소인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The oxidant is a fuel cell system, characterized in that oxygen. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 발전부에서 배출되는 물을 회수하여 상기 연료 공급부에 제공하는 물회수장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a water recovery device for recovering water discharged from the power generation unit and providing the water to the fuel supply unit. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 물회수장치는 열교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The water recovery device is a fuel cell system, characterized in that the heat exchanger. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 단위전지들이 적층된 상태로 제공되어 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The power generation unit has a structure in which a polymer membrane having selective ion permeability and a unit cell composed of an anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the polymer membrane are provided in a stacked state. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 발전부에서 배출되는 미반응 연료가 상기 연료 공급부에 유입되도록 안내하는 안내도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a guide conduit for guiding unreacted fuel discharged from the power generation unit into the fuel supply unit. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 연료 공급부의 수소함유연료를 상기 발전부에 공급하기 위한 연료펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a fuel pump for supplying hydrogen-containing fuel in the fuel supply unit to the power generation unit. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 연료펌프와 상기 발전부 사이에는 수소함유연료로부터 이온을 제거하기 위한 이온제거 필터가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And an ion removing filter is provided between the fuel pump and the power generation unit to remove ions from hydrogen-containing fuel. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 단위전지가 평면에 배열된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And the power generation unit has a structure in which a unit cell including a polymer membrane having selective ion permeability and an anode electrode and a cathode electrode provided at both sides of the polymer membrane is arranged in a plane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고압탱크는 교환가능하게 제공된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And the high pressure tank is provided interchangeably.
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